DE60201813T2

DE60201813T2 - Zylindrischer Hochspannungs-Superkondensator und dessen Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE60201813T2
Application number: DE60201813T
Authority: DE
Inventors: Lin-Ren Hsinchu Shiue; Dien-Shi Taoyuan Hsien Wu; Ching-Wen Chang-Hua Hsien Chao; Li-Ping Taichung Li; Ming-Fang Hsieh; Hsing-Chen Chung; Wan-Ting Lo
Original assignee: LUXON ENERGY DEVICES CORP CHUTUNG; Luxon Energy Devices Corp
Current assignee: LUXON ENERGY DEVICES CORP CHUTUNG; Luxon Energy Devices Corp
Priority date: 2002-02-07
Filing date: 2002-02-07
Publication date: 2005-12-08
Anticipated expiration: 2022-02-08
Also published as: EP1335395B1; DE60201813D1; EP1335395A1

Description

Szenario der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf einen zylindrischen Hochspannungs-Superkondensator und ein Verfahren zur Herstellung desselben. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen spiralförmig gewickelten zylindrischen Hochspannungs-Superkondensator mit mindestens einer bipolaren Elektrode, die zwischen einer Anode und einer Kathode angeordnet ist und ein Verfahren zur Herstellung derselben.
Beschreibung des Standes der Technik
Batterien werden für tragbare elektronische Vorrichtungen, schnurlose Leistungsinstrumente, ununterbrechbare Leistungssysteme und elektrische Fahrzeuge immer benötigt. Es gibt einen bestehenden Trend, dass die Batterien in den vorherstehenden Anwendungen kompakt, leicht und groß im Energie-Inhalt sein sollten. Um diese Anforderungen zu erfüllen, werden neue Elektrodenmaterialien erforscht und neue Zellentwürfe werden für Batterien entwickelt. Energie, die in Batterien gespeichert ist, kann in Zeitspannen von Sekunden bis Stunden freigesetzt werden. Wenn eine lange Entladungszeit benötigt wird, brauchen Batterien große Energiedichten, die im Allgemeinen durch Speichern eines großen Betrags von Reaktionsmitteln in einem vorgegebenen Elektrodenvolumen aus Edelmetall erreicht werden. In Anwendungen, wo Bedarf an großem Strom in kurzer Entladungszeit herrscht, verbrauchen die Ladungen eine Spitzenleistung, die nur durch Batterien mit hohen Leistungsdichten bereitgestellt werden kann. Leistung ist das Produkt von Stromdichte und Zellbetriebsspannung, wobei der letztere Parameter leichter zum Erreichen hoher Leistungsdichten zu maximieren ist. Der effektivste Weg für eine maximale Betriebsspannung ist ein bipolarer Entwurf, der eine Hochspannung in einem kleinen Zellvolumen herstellen kann. Eine große Zahl von Veröffentlichungen, zur Erhöhung der Leistungsdichte von Blei-Säure durch Verwendung des bipolaren Entwurfs ist in der Literatur erschienen, beispielsweise US. Pat. Nr. 4.188.464; 4.539.268; 4.254.415; 5.729.891; 5.882.817; und 5.993.494 als auch der Bericht von LaFollette und Bennion; „Design Fundamentals of High Power Density, Pulse Discharge, Lead Acid Batteries"; J. Electrochemist. Soc., Vol. 137, No. 12, Dezember 1990; Seiten 3693–3707 widmen sich alle dem Thema, um nur einige zu nennen. Unabhängig von den Bemühungen der Batterieindustrie, wird eine Bereitstellung von Spitzenleistung vorzugsweise durch Kondensatoren, insbesondere Superkondensatoren geliefert, da die letzteren intrinsisch höhere Leistungsdichten als alle Batterien aufweisen.
Superkondensatoren sind Energie-Speicher-Vorrichtungen, die von der Oberflächenadsorption abhängen, d. h. elektrostatischer Anziehung, um Ladungen bis zu Tausenden von Farad (F) von Oberflächen-Oxidation-Reduktion anzuhäufen. Durch den raschen physikalischen Prozess von Adsorption und flacher Anhäufung von Ladungen, sowie künstlichen Reaktionen, haben Superkondensatoren intrinsisch viel größere Leistungsdichten als alle Batterien fassen können. Batterien verwenden langsame chemische Reaktionen, die im Volumen der Elektroden zur Energiespeicherung auftreten, und wobei die Abgabe von Energie in Batterien ebenfalls langsam ist. Es ist dieser Ladungs-Entladungs-Mechanismus, der Batterien mit hohen Energiedichten und Superkondensatoren mit großen Leistungsdichten zulässt. In der Entwicklung der Batterie oder des Superkondensators ist es das Ziel, die Eigenschaft zu Verbessern, wo die Vorrichtung mangelhaft ist. Da die gespeicherte Energie in einem Superkondensator proportional zum Quadrat seiner Arbeitsspannung ist, wie in Gleichung (1) beschrieben wird, E = ½C·V2 (1)wo E die gespeicherte Energie, C die Kapazität und V die Arbeitsspannung ist, ist es plausibel V zu erhöhen, um die Energiedichte des Superkondensators zu erhöhen. Zusätzlich zur Wahl des passenden Elektrolyten zum Erhöhen von V, liefert ein wässriger Elektrolyt beispielsweise 1 V, während ein organisches System so viel wie 3 V an Arbeitsspannung liefern kann, kann der bipolare Entwurf, wie er für Batterien verwendet wird, auf Superkondensatoren angewandt werden. Tatsächlich haben viele Arbeiten einen solchen Entwurf zum Erreichen hoher V für Superkondensatoren verwendet, wie in den U. S. Pat. Nr. 5.450.279; 5.646.815; 5.907.472; 5.930.108; 5.959.830; 5.993.494; 6.187.061; 6.304.426; 6.306.270; und 6.320.740 offenbart wurde, genauso wie in der Japanischen Pat. Nr. JP-A-6-5467. Genauso wie ihre bipolare Batterieanalogie, sind die Superkondensatoren in den vorherstehend erwähnten Referenzen alle aus einem Stapel bipolarer Elektroden zusammengesetzt, die durch ionisch leitfähige Separatoren in einer hermetisch versiegelten Verpackung getrennt sind.
Jedoch ist es laborintensiv und teuer, Schichten von Elektroden, Separatoren und Versiegelungsdichtungen in Folge und in mehrfachen Wiederholungen aufzuschichten um gestapelte bipolare Superkondensatoren zu bilden. Darüber hinaus werden die erzielten Vorrichtungen sperrig sein und können nur von einer rechteckigen oder quadratischen Form sein, welche die Verwendung in Anwendungen, die in Raum und Konfiguration beschränkt sind, ausschließt.
Im Stand der Technik reicht die Arbeitsspannung für zylindrische Superkondensatoren von 2,3 V bis 2,5 V, während die meisten integrierten Schaltkreise (ICs) eine Betriebsspannung zwischen 3 V bis 5,5 V benötigen. Um den Betrieb von einem integrierten Schaltkreis zu unterstützen, werden mindestens zwei Niederspannungs-Superkondensatoren, die in Reihe geschalten sind, benötigt. Für eine Leiterplatte (PCB), die hohe Kapazität benötigt, wird der Kondensator, der große Kapazität liefert und der typischerweise einen großen Bereich einnimmt, wie ein Aluminium-Elektrolyt-Kondensator, verwendet. Es ist deshalb schwierig die Leiterplatte zu verkleinern.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung liefert einen zylindrischen Hochspannungs-Superkondensator gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zur Herstellung desselben gemäß Anspruch 14.
Demgemäß liefert die vorliegende Erfindung einen zylindrischen Hochspannungs-Superkondensator und ein Verfahren zur Herstellung desselben, das ein spiralförmiges Wicklungsverfahren verwendet. Deshalb kann der zylindrische Hochspannungs-Superkondensator in einem einfachen Verfahren hergestellt werden.
Die vorliegende Erfindung liefert weiter einen zylindrischen Hochspannungs-Superkondensator und ein Verfahren zur Herstellung desselben, wo der zylindrische Hochspannungs-Superkondensator aus einem kompakten Volumen mit einer hohen Volumen-Effizienz gebildet werden kann.
Der zylindrische Hochspannungs-Superkondensator und das Verfahren zur Herstellung desselben, das durch die vorliegende Erfindung bereitgestellt wird, weisen eine verringerte Anzahl und Volumen von Komponenten auf, wie sie von Leiterplatten benötigt werden.
Zusätzlich, kann der zylindrische Hochspannungs-Superkondensator, der durch die vorliegende Erfindung bereitgestellt wird, parallel für Leistungsanwendungen geschalten werden.
Der zylindrische Hochspannungs-Superkondensator, der durch die vorliegende Erfindung bereitgestellt und gemäß Anspruch 1 definiert wird, umfasst eine Anode, eine Kathode, mindestens eine bipolare Elektrode und mindestens einen Separator. Die bipolare Elektrode ist zwischen der Anode und der Kathode angeordnet. Der Separator liegt zwischen den zwei benachbarten Elektroden. Die obige Anode, Kathode, bipolare Elektrode und Separator sind zusammen gewunden, um einen spiralförmig gewundenen konzentrischen Zylinder zu bilden.
Das Verfahren zur Herstellung eines zylindrischen Hochspannungs-Superkondensators, das durch die vorliegende Erfindung bereitgestellt und gemäß Anspruch 14 definiert ist, umfasst die folgenden Schritte. Eine Anode und eine Kathode werden bereitgestellt. Mindestens eine bipolare Elektrode ist zwischen der Anode und der Kathode angeordnet. Zwischen jedem Paar von Elektroden liegt ein Separator dazwischen. Gemäß der vorstehend erwähnten Anordnung, werden die Anode, die Kathode, die Bipolare und der Separator spiralförmig wie ein Zylinder gewunden, um den zylindrischen Hochspannungs-Superkondensator zu bilden.
Die vorliegende Erfindung ordnet mindestens eine bipolare Elektrode zwischen der Anode und der Kathode an und verwendet einen spiralförmigen Wicklungsprozess, um den Stapelprozess zu ersetzen. Deshalb wird der zylindrische Hochspannungs-Superkondensator in einem weniger labormäßigen Verfahren hergestellt und ist somit für die Automatisierung vorteilhafter.
Das Spiral-Wicklungsverfahren liefert mehr Elektrodenfläche mit weniger Material in jeder Zelle. Vom Aspekt der kundenspezifischen Form ist die zylindrische Form einfacher verändert, verglichen mit einem Rechteck oder Quadrat. Der zylindrische Hochspannungs-Superkondensator weist ein kleineres Volumen und eine bessere Volumen-Effizienz auf.
Die Spannung des zylindrischen Hochspannungs-Superkondensators nimmt mit der Zahl der bipolaren Elektroden zu. Durch Erhöhen der Zahl der bipolaren Elektroden kann deshalb die Arbeitsspannung davon wie gewünscht erhöht werden.
Weiter wird ein zylindrischer Hochspannungs-Superkondensator durch Erhöhen der Arbeitsspannung verwendet, um zwei in Reihe geschaltene Niederspannungs-Superkondensatoren zu ersetzen. So wird eine höhere Energiedichte erreicht. Die üblicherweise große Volumen-Komponente, wie ein Aluminium-Elektrolyt-Kondensator, kann ersetzt werden, um die Chip-Anzahl einer Leiterplatte zu verringern, welche so verkleinert werden kann.
Wenn man zusätzliche Arbeitsspannung hat, erlauben die Kondensatoren zusätzlich, dass sie parallel geschalten werden. Während sie parallel geschalten werden, ist der Gesamtwiderstand eines Moduls gleich zu dem Widerstand einer einfachen Komponente dividiert durch die Anzahl der Superkondensatoren in dem Modul (angenommen, dass der Widerstand für jede Komponente der gleiche ist). Das Modul weist so mehr Leistung als jede Komponente auf. Weiter, wenn eine Komponente des Moduls versagt, kann das Modul immer noch passend arbeiten. Andererseits, hört das Reihelle Modul zu arbeiten auf, wenn irgend eine der Komponenten versagt. Deshalb ist das parallele Modul zuverlässiger als das Reihelle Modul.
Beide, die vorherstehende allgemeine Beschreibung und die folgende detaillierte Beschreibung sind exemplarisch und nur erklärend und sind auf die Erfindung, wie beansprucht, nicht beschränkend.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Explosionsansicht von einem zylindrischen bipolaren Superkondensator der drei Blätter von Elektroden und zwei Separatorblätter umfasst, wobei eine bipolare Elektrode zwischen einer Anode und einer Kathode angeordnet ist, mit einem Separator, der zwischen jeder der zwei Elektroden liegt. Die Separatoren werden verwendet, um die Elektroden zu trennen und einen Elektrolyten für den Superkondensator zu beinhalten.
2 zeigt die galvanostatische Entladung für zwei regulär zylindrische Superkondensatoren, die in Reihe geschalten sind, wobei jeder Superkondensator eine Arbeitsspannung von ungefähr 2,5 V aufweist und das in Reihe geschaltene Modul auf 4,0 V vorgeladen ist; und
3 zeigt die galvanostatische Entladung für zwei bipolare zylindrische Superkondensatoren, die parallel geschalten sind, wobei jeder Superkondensator eine Arbeitsspannung von ungefähr 5,0 V aufweist und das parallel-geschaltene Modul mit 5,0 V vorgeladen ist.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Superkondensatoren sind Energiespeicher-Vorrichtungen, die die elektrostatische Anziehung zum Anhäufen von Ladungen auf Oberflächen von polarisierbaren Elektroden verwenden. Die Elektroden beinhalten Kohlenstoff oder Metalloxid zur Platz-Adsorbierung, welche als das aktive Material bekannt ist. In Begriffen der elektrischen Merkmale, wie Kapazität und Ladungs-/Entladungs-Rate, ist der Superkondensator synonym zu dem elektrischen Doppelschichtkondensator (EDLC) und dem Ultrakondensator.
Einige Denkansätze betrachten den EDLC als auf Superkondensatoren beschränkt, die Kohlenstoff als das aktive Material integrieren und der Ultrakondensator für den Kondensator, der Metalloxid als das aktive Material verwendet. Der letztere kann auch Oberflächen-Redoxreaktionen oder die sogenannte Pseudokapazität verwenden, um Energie zu speichern. Unabhängig der den Vorrichtungen gegebenen Bezeichnung, können. Ladungen bis zu Tausenden von Farad gespeichert werden und Spitzenströme bis zu Hunderten von Ampere bereitgestellt werden.
Üblicherweise wird ein zylindrischer Superkondensator durch konzentrisches Wickeln zweier Elektroden und zweier Separatoren gebildet, während jede Elektrode mit einem Separator geschalten ist. Die Elektroden werden durch Beschichten des gleichen aktiven Materials auf einem leitfähigen Material oder einem Stromkollektor gebildet. Die Polarität der Elektroden wird während der Herstellung künstlich zugeordnet. Weder der Stromkollektor, noch das aktive Material des Superkondensators weisen eine hohe Ausfallstärke auf. Die Arbeitsspannung des Superkondensators ist gegenwärtig die Zersetzungsspannung des darin verwendeten Elektrolyten. Abhängig von dem Elektrolyten, weist der Superkondensator eine theoretische Spannung von 1,0 oder 2,5 V auf, falls ein wässriger Elektrolyt beziehungsweise ein organischer Elektrolyt verwendet werden. Wenn der Superkondensator ungefähr 10% höher als die theoretische Spannung geladen wird, kann eine Ablagerung des Elektrolyten und Katastrophe eintreten. Anwendung des 2,5 V-Superkondensators ist eher ungeeignet, weil eine mehrfache Anzahl von Kondensatoren oft benötigt wird und der Kontrollschaltkreis zur Anordnung komplex und teuer ist. Offensichtlich muss die Arbeitsspannung des Superkondensators für eine einfache Anwendung maximiert werden, um Vorteil aus und Ausdehnen des Bereichs seiner Anwendung zu ziehen. Unter momentan machbaren Annäherungen, ist der bipolare Entwurf der effektivste Weg, um die Arbeitsspannung des Superkondensators zu erhöhen.
Gleichung (2) beschreibt die Beziehung zwischen Arbeitsspannung von bipolaren und monopolaren Superkondensatoren mit dem gleichen Elektrolyt Vbs = (n + 1 )·Vnm (2)wo V_bs und V_ms Arbeitsspannungen für bipolare bzw. monopolare Superkondensatoren sind, und n die Zahl bipolarer Elektroden in dem spiralförmig gewickelten Zylinder des Kondensators ist. Die Spannung des Superkondensators wird mit der Zahl von bipolaren Elektroden erhöht. Wenn der Kondensator beispielsweise nur eine bipolare. Elektrode umfasst, wobei die Spannung des bipolaren Entwurfs die doppelte von der des monopolaren Entwurfs beträgt und den gleichen Elektrolyt verwendet. Falls zwei bipolare Elektroden verwendet werden, ist die Spannung des bipolaren Entwurfs drei Mal der des monopolaren Entwurfs.
1 zeigt den zylindrischen Hochspannungs-Superkondensator und das Verfahren zur Herstellung desselben gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In 1 ist ein zylindrischer bipolarer Superkondensator 10 gezeigt, umfassend drei Schichten von Elektroden 15, 17 und 19 und zwei Separatoren 16, zum Trennen jeder der Paare 15, 17 und 17, 19. Die Elektroden 15 und 19 sind monopolar, d. h. nur eine Seite des Stromkollektors ist mit aktivem Material beschichtet. Der Stromkollektor wird aus einer metallischen Folie, wie einer Aluminiumfolie, einer Kupferfolie, einer Titanfolie oder einer Nickelfolie gewählt. Die leere Seite des Stromkollektors, die nicht mit aktivem Material beschichtet ist, wird durch fluorierte Polymere, Epoxy, Acrylharzderivate, Urethane oder Silikone isoliert. Durch elektrische Isolation der leeren Seite der monopolaren Elektroden 15 und 19 werden darauf zusätzliche Separatoren nicht benötigt. Je weniger die Separatoren in einem Kondensator verwendet werden, desto weniger Menge an Elektrolyt wird benötigt. Wo organischer Elektrolyt in dem Superkondensator verwendet wird, da der Elektrolyt im Allgemeinen die teuerste Komponente ist, bedeutet die verringerte Menge von Elektrolyt, dass die Kosten des Kondensators verringert werden.
Das Verfahren zur Herstellung der bipolaren Elektrode 17 ist ähnlich derjenigen zum Herstellen der monopolaren Elektroden 15 und 19. Jedoch sind beide Seiten des Stromkollektors für die bipolare Elektrode 17 mit aktivem Material beschichtet. Das aktive Material beinhaltet Fe₃O₄, SnO₂, MnO₂ oder PbO₂. Weiter beinhaltet das Verfahren zum Sichern des aktiven Materials am Stromkollektor Walzbeschichtung, Eintauchbeschichtung, Leistungsbeschichtung, elektrophoretische Ablagerung oder Zerstäubung.
Nachdem die Elektroden hergestellt wurden, wird die bipolare Elektrode 17 zwischen den monopolaren Elektroden 15 und 19 angeordnet. Ein Separator 16 ist zwischen den Elektroden 15 und 17 und den Elektroden 17 und 19 angeordnet. Die monopolaren Elektroden 15 und 19, die bipolare Elektrode 17 und die Separatoren 16 werden spiralförmig in einen Zylinder 23 gewickelt. Elektrische Zuleitungen 11 und 13 werden zu den Elektroden 15 beziehungsweise 19 punktgeschweißt, während keine elektrische Zuleitung zu der bipolaren Elektrode 17 geschweißt wird.
Wenn die Separatoren 16 Elektrolyt adsorbieren, werden die Elektroden 15, 17 und 19 in Reihe geschalten, was äquivalent zu zwei Spiral-Unterzellen ist, die in Reihe geschalten sind, ohne Einführung von irgendeinem Zwischen-Zell-Verbinder. Da der bipolare Superkondensator 10 zwei identische Unterzellen aufweist, mit einer, die durch die Elektroden 15, 17 gebildet wird, und wobei Separator 16 dazwischen angeordnet ist, und wobei die andere durch die Elektroden 17, 19 und dem dazwischen angeordneten Separator 16 gebildet wird, wobei die Arbeitsspannung des Superkondensators die Arbeitsspannung von jeder Unterzelle verdoppelt. Durch Erhöhen der Zahl der bipolaren Elektroden wird die Arbeitsspannung für die mehrfache Elektroden-Vorrichtung gemäß Gleichung (2) bestimmt. Der Elektrolyt beinhaltet wässrigen Elektrolyt, der gewählt ist aus H₂SO₄, KOH, Na₂SO₄ und einer Chemikalie aus deren Mischung. Andererseits kann ein organischer Elektrolyt verwendet werden, wie beispielsweise eine organische Lösung mit einem quartären Ammoniumsalz, das BF₄ ^– als Anion in einem organischen Lösungsmittel enthält, das gewählt ist aus Acetonitril, Methylcarbonat, Ethylencarbonat, Propylencarbonat oder einer Mischung daraus.
Um für den bipolaren Entwurf effektiv zu sein, muss der Elektrolyt in jeder Unterzelle bleiben. Wenn einmal die Elektrode und der Separator in einen Zylinder wie der Kondensator 10 gewickelt sind, wird ein Ende des Zylinder mit einem elastischem Adhäsiv 21 versiegelt, lässt aber das andere Ende des Zylinders offen für die Aufnahme eines Elektrolyts. Das elastische Adhäsiv 21 ist gewählt aus Butylkautschuk, Epoxy, Acrylharzderivaten, Urethanen oder Silikonen. Wenn ein ausreichender Betrag von Elektrolyt durch die Separatoren mit der Hilfe von Vakuum adsorbiert wurde, wird das offene Ende des Zylinders versiegelt, um Elektrolyt-Kriechen zwischen den Unterzellen zu verhindern. Mit den Zuleitungen 11 und 13, die durch eine Versiegelungskappe 25 eingefügt werden, wird die gesamte Anordnung in eine Aluminiumdose, die in 1 nicht dargestellt ist, platziert, um die Verkapselung des Superkondensators abzuschließen. Zylindrische Superkondensatoren, die eine oder mehrere bipolare Elektroden beinhalten, können gemäß der vorherstehend beschriebenen Offenbarung hergestellt werden. Weiter kann die Arbeitsspannung des Superkondensators zu einer gewünschten Höhe verändert werden, indem eine passende Zahl bipolarer Elektroden und ein passendes Elektrolytsystem verwendet werden. Dabei kann ein zylindrischer Hochspannungs-Superkondensator mit einer Arbeitsspannung höher als 5,0 V und einer Kapazität, die größer als 0,1 F ist, erreicht werden.
Die folgenden zwei Beispiele werden nur gegeben, um die Konstruktion eines zylindrischen Hochspannungs-Superkondensators und Vorteile von paralleler Schaltung solcher Kondensatoren eher zu demonstrieren als zu beschränken.
Beispiel 1
Zwei zylindrische monopolare Superkondensatoren C1 und C2 werden vorbereitet, indem Walzbeschichtung und konzentrische Wicklung unter den folgenden Bedingungen verwendet werden:
Elektrodenzusammensetzung: 40 g Verbundpulver (Composite power), das Fe₃O₄/C als aktives Material ist; 2 g von Polyvinyliden-Fluorid (PVDF) als ein Bindemittel; und 120 ml von N-Methyl-2-Pyrrolidon (NMP) als Lösungsmittel, um eine homogene Paste für die Walzbeschichtung zu bilden.
Stromkollektor: 20–80 μm Aluminium-Folie.
Geometrische Fläche der Elektrode: ungefähr 150 cm².
Separator: 50–100 Mil Polypropylen (PP).
Elektrolyt: 1 M Tetraethylammonium Tetrafluoroborat in Propylen-Carbonat.
Tabelle 1 Elektrische Merkmale von zwei 2,5 V Superkondensatoren C1 und C2, und deren Reihenschaltung (C1 + C2)
Wenn C1 und C2 in Reihe geschalten sind, d. h. C1 + C2, dann ist der ESR des Moduls die Summe von C1 und C2, während die Kapazität des Moduls unter verschiedenen Entladungsraten geringer als entweder C1 oder C2 ist oder das Modul weist die Hälfte der Kapazität von C1, wie in Tabelle 1 gezeigt, auf. So sollten C1 + C2 eine Arbeitsspannung von 5,0 V liefern, wobei das Modul nur bis 4,0 V geladen ist, so dass weder C1 noch C2 überladen werden. 2 stellt die galvanostatische Entladung von C1 + C2 bei drei verschiedenen Raten dar, wo das Modul auf 4,0 V vor der Entladung geladen wird.
Beispiel 2
Zwei 5,0 V zylindrische Superkondensatoren C3 und C4 werden mit dem bipolaren Entwurf, wie in 1 dargestellt, unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 vorbereitet, außer dass in diesem Beispiel drei Elektroden, zwei monopolare und eine bipolare und eine Elektrodefläche von ungefähr 40 cm² verwendet werden. Tabelle 2 zeigt die elektrischen Merkmale der Kondensatoren C3, C4 und eines Moduls, in welchem die Kondensatoren C3 und C4 parallel geschalten sind.
Tabelle 2 Elektrische Merkmale von zwei 5,0 V Superkondensatoren C3 und C4 und deren parallele Schaltung C3//C4
Da C3 und C4 weniger als 1/3 der Elektrodenflächen von C1 und C2 aufweisen, und die vorherige einen höheren ESR hat, ist die Kapazität der Kondensatoren C3 und C4 viel kleiner als die von C1 und C2. Wie in Tabelle 2 dargestellt, ist die Kapazität des Moduls gleich der Summe von C3 und C4, wenn C3 und C4 parallel geschalten sind, d. h. C3//C4, während der ESR ungefähr die Hälfte von C3 oder C4 ist. Verschieden von Beispiel 1, wo der Modul von (C1 + C2) als Vorkehrung auf 4,0 V geladen wird, wobei das parallele Modul (C3//C4) sicher auf 5,0 V, Erhöhung um 1 V, geladen werden kann, so dass das Modul C3//C4 mehr Anwendungen aufweist. 3 zeigt die galvanostatische Entladung bei drei verschiedenen Raten nach Laden des Moduls C3//C4 auf 5,0 V.
Wenn man die 2 und 3 vergleicht, kann man sehen, dass ähnliche Anwendungsdauer für das parallele Modul und das Reihelle Modul eine Entladungs-Sperrspannung von 3,0 V ergibt. Jedoch ist die Kapazität der Komponente in dem parallel Modul weit geringer als jene in dem Reihellen Modul. Das heißt, dass das parallele Modul des zylindrischen bipolaren Superkondensators, der durch die vorliegende Erfindung bereitgestellt wird, eine vergleichbare Anwendungszeit mit einer geringeren Elektrodenfläche und geringeren Kapazität, verglichen zum herkömmlichen Reihenmodul von zylindrischen monopolaren Superkondensatoren aufweist.
Gemäß dem Vorherstehenden, weist die Erfindung die folgenden Vorteile auf.

1. Der zylindrische Hochspannungs-Superkondensator in der vorliegenden Erfindung wird durch Spiralwicklung anstatt von vertikalem Stapeln gebildet. Da die Spiralwicklung einfacher und vorteilhafter für die Automatisierung ist, ist der zylindrische Hochspannungs-Superkondensator leicht herzustellen.
2. Das Spiralwicklungsverfahren liefert, verglichen zu dem Stapelprozess, eine gleichförmigere Elektrodenfläche in einer Einheitszelle mit weniger Material. In Begriffen kundenspezifischer Form, ist der Zylinder einfacher verändert, verglichen zu dem Rechteck und Quadrat. Deshalb wird eine verbesserte Volumen-Effizienz erreicht.
3. Die Spannung des zylindrischen Superkondensators nimmt mit der Zahl von bipolaren Elektroden zu. Deshalb nimmt die Arbeitsspannung des zylindrischen Superkondensators bei Zunahme der Zahl der bipolaren Elektroden zu.
4. Wenn mehr bipolare Elektroden benötigt werden um die Spannung zu erhöhen, müssen die später hinzugefügten bipolaren Elektroden hinter die bipolare Elektrode, die eingerichtet wurde, angeordnet werden. Deshalb werden alle der bipolaren Elektroden zwischen der Anode und der Kathode angeordnet und alle der Elektroden in Reihe in einem Zylinder geschalten sind, so dass ein interner Verbinder nicht benötigt wird.
5. Da die Arbeitsspannung des zylindrischen Superkondensators erhöht werden kann, kann ein zylindrischer Superkondensator verwendet werden, um zwei Niederspannungs-Superkondensatoren, die in Reihe geschalten sind, zu ersetzen. Weiter erlaubt die hohe Energiedichte dem zylindrischen Hochspannungs-Superkondensator, die traditionell großen Volumen-Komponenten, wie einen Aluminium-Elektrolyt-Kondensator, zu ersetzen. Deshalb wird die Chipanzahl für eine Leiterkarte verringert und ist leichter zu verkleinern.
6. Die Kondensatoren können in einer parallelen Schaltung verwendet werden, wenn sie genügend Arbeitsspannung aufweisen. Während der parallelen Schaltung, ist der Gesamtwiderstand gleich dem Widerstand einer einfachen Komponente dividiert durch die Zahl der Superkondensatoren zum Formen des Moduls (angenommen, dass der Widerstand für jeden Superkondensator gleich ist). Deshalb ist das Modul leistungsfähiger als jede Einzelkomponente. Weiter, wenn eine Komponente von dem parallelen Moduls ausfällt, arbeitet das Modul noch normal. Wenn irgendeine Komponente eines in Reihe geschaltenen Moduls andererseits ausfällt, hört das gesamte Reihelle Module normalerweise zu arbeiten auf. Das parallele Modul ist so zuverlässiger als das Reihelle Modul.

Andere Ausführungsformen der Erfindung werden für Fachleute aus dem Betrachten der Spezifikation und Praxis der hier offenbarten Erfindung offensichtlich. Es ist beabsichtigt, dass die Spezifikation und Beispiele mit dem Schutzbereich der Erfindung, der durch die folgenden Ansprüche definiert ist, nur als beispielhaft betrachtet werden sollen.

Claims

Zylindrischer Hochspannungs-Superkondensator (10), umfassend: – eine Anode; – eine Kathode; – wenigstens eine bipolare Elektrode (17), die zwischen der Anode und der Kathode (15, 19) eingeschoben ist; und – zwei Separatoren (16), wobei einer zwischen der Anode und der bipolaren Elektrode und der andere zwischen der Kathode und der bipolaren Elektrode angeordnet ist, wobei die Anode, die Kathode, die bipolare Elektrode und die Separatoren spiralförmig zu einem konzentrischen Zylinder (23) gewickelt sind, wobei eine Seite von beiden, der Anode und der Kathode, mit aktivem Material beschichtet ist und die andere Seite davon elektrisch isoliert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch isolierten Seiten der Anode und der Kathode mit isolierendem Material beschichtet sind.
Zylindrischer Hochspannungs-Superkondensator gemäß Anspruch 1, bei dem jede, der Anode, der Kathode und der bipolaren Elektrode einen Stromkollektor umfassen, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Aluminiumfolie, Kupferfolie, Titanfolie oder Nickelfolie.
Zylindrischer Hochspannungs-Superkondensator gemäß Anspruch 1, bei dem das aktive Material aktivierten Kohlenstoff umfasst, der mit einem Metalloxyd beschichtet ist, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Fe₃O₄, SnO₂, MnO₂ oder PbO₂.
Zylindrischer Hochspannungs-Superkondensator gemäß Anspruch 1, bei dem das Isolationsmaterial ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus fluorierten Polymeren, Acrylharzderivaten, Urethanen oder Silikonen.
Zylindrischer Hochspannungs-Superkondensator gemäß Anspruch 1, bei dem beide Seiten der bipolaren Elektrode mit dem aktiven Material beschichtet sind.
Zylindrischer Hochspannungs-Superkondensator gemäß Anspruch 5, bei dem das aktive Material aktivierten Kohlenstoff umfasst, der mit einem Metalloxyd, ausgebildet aus Fe₃O₄, SnO₂, MnO₂ oder PbO₂, beschichtet ist.
Zylindrischer Hochspannungs-Superkondensator gemäß Anspruch 1, weiterhin einen Elektrolyten zur Energiespeicherung umfassend.
Zylindrischer Hochspannungs-Superkondensator gemäß Anspruch 7, bei dem der Elektrolyt einen wässerigen Elektrolyten umfasst, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus H₂SO₄-Lösung, KOH-Lösung, Na₂SO₄-Lösung oder einem Gemisch davon.
Zylindrischer Hochspannungs-Superkondensator gemäß Anspruch 7, bei dem der Elektrolyt eine organische Lösung mit einem quatären Ammoniumsalz, welches BF₄ ^– als Anion in einer organischen Lösung enthält, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Acetonitril, Kohlensäuredimethylester, Ethylencarbonat, Propylencarbonat und Gemischen davon, umfasst.
Zylindrischer Hochspannungs-Superkondensator gemäß Anspruch 1, bei dem zwei Enden des Zylinders mit einem Verschluss (21) versehen sind aus einem Material zum Abdichten des Zylinders (23), und wobei das Material ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Butylkautschuk, Epoxy, Acrylharzderivaten, Urethan und Silikon.
Zylindrischer Hochspannungs-Superkondensator gemäß Anspruch 1, der eine Arbeitsspannung größer oder gleich 5,0 Volt und eine Kapazität größer oder gleich 0,1 F aufweist.
Zylindrischer Hochspannungs-Superkondensator gemäß Anspruch 1, umfassend einen elektrischen Doppelschichtkondensator.
Zylindrischer Hochspannungs-Superkondensator gemäß Anspruch 1, umfassend einen Ultrakondensator.
Verfahren zur Herstellung eines zylindrischen Hochspannungs-Superkondensators (10), umfassend – Schaffen einer Anode und einer Kathode (15, 19), – Beschichten von einer Seite von jeder mit aktivem Material und Beschichten der Anode und der Kathode auf der jeweils anderen Seite mit Isolationsmaterial; – Dazwischenschieben von wenigstens einer bipolaren Elektrode (17) zwischen der Anode und der Kathode (15, 19); – Anordnen eines Separators (16) zwischen jedem Elektrodenpaar, einschließlich der Anode, der Kathode (15, 19) und der bipolaren Elektrode (17); und – konzentrisch und spiralförmiges Aufwickeln der Anode, der Kathode (15, 19), der bipolaren Elektrode (17) und des Separators zu einem Zylinder (23).
Verfahren gemäß Anspruch 17, wobei der Schritt des Zurverfügungstellens der Anode, der Kathode und des Schritts des Dazwischenschiebens der bipolaren Elektrode das Schaffen von Stromkollektoren einschließt, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Aluminiumfolien, Kupferfolien, Titanfolien und Nickelfolien.
Verfahren gemäß Anspruch 14, welches weiterhin das Beschichten einer Seite von beiden, der Anode und der Kathode umfasst mittels aktiviertem Kohlenstoff, der mit einem metallischen Oxyd beschichtet ist, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Fe₃O₄, SnO₂, MnO₂ oder PbO₂.
Verfahren gemäß Anspruch 14, weiterhin umfassend Auswählen des Isolationsmaterials aus der Gruppe, bestehend aus fluorierten Polymeren, Epoxy, Acrylharzderivaten, Urethanen oder Silikonen.
Verfahren gemäß Anspruch 14, wobei der Schritt des Dazwischenschiebens der bipolaren Elektrode weiterhin das Beschichten eines aktiven Materials auf beiden Seiten davon umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 18, weiterhin umfassend das Beschichten eines aktivierten Kohlenstoffes, der mit einem Metalloxyd, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Fe₃O₄, SnO₂, MnO₂ oder PbO₂ als das aktive Material, umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 14, weiterhin umfassend das Schaffen einer Elektrode, um Energie zu speichern.
Verfahren gemäß Anspruch 20, weiterhin umfassend das Schaffen eines wässerigen Elektrolyten, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus H₂SO₄-Lösung, KOH-Lösung, Na₂SO₄-Lösung, oder einem Gemisch davon als dem Elektrolyten.
Verfahren gemäß Anspruch 21, weiterhin umfassend das Schaffen einer organischen Lösung mit einem quatären Ammoniumsalz, enthaltend BF₄ ^– als Anion in einer organischen Lösung, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Acetonitril, Dimethylcarbonat, Ethylencarbonat, Propylencarbonat und Gemischen davon.
Verfahren gemäß Anspruch 14, weiterhin umfassend das Abdecken von zwei Enden des Zylinders (21) mit Material zum Abdichten des Zylinders (23), wobei das Material ausgewählt ist aus Butylkautschuk, Epoxy, Acrylharzderivaten, Urethan und Silikon.
Verfahren gemäß Anspruch 14, welches eine Arbeitsspannung größer oder gleich 5,0 Volt und eine Kapazität größer oder gleich 0,1 F aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 14, weiterhin umfassend das Bilden der Anode, der Kathode und der bipolaren Elektrode unter Verwendung von Walzenauftrag, Tauchauftrag, Pulverbeschichten, elektrophoretischer Abscheidung und Sputtern.